低压断路器及其应用连理枝著.docx
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低压断路器及其应用连理枝著
低压断路器及其应用
——连理枝 编制
1.概论2
1.1.概述2
1.2.低压断路器的发展史2
1.3.不同类型断路器的保护特性和它们执行的标准4
1.4.断路器的发展趋势5
2.低压断路器的原理与构造6
2.1.概述6
2.2.低压断路器的主要技术性能、参数和有关试验9
2.3.断路器的电气间隙、爬电距离与飞弧距离14
3.断路器的应用19
3.1.断路器用作配电系统的保护19
3.2.断路器用作电动机的保护21
3.3.断路器用作发电机的保护24
3.4.断路器用于家用及类似用途场所的保护24
3.5.剩余电流动作断路器用于漏电（触电）的保护26
3.6.四极断路器的结构型式和应用场所31
3.7.断路器的机械、电气联锁与自锁32
3.8.断路器用于双电源切换装置37
3.9.配电系统的后备保护40
3.10.配电系统的选择性保护44
4.低压断路器的选用46
4.1.低压电网产生故障的原因与分析46
4.2.断路器的额定电流的选择52
4.3.断路器附件的功能和选择53
5.低压断路器的使用与维护54
5.1.断路器在不同的场所、条件下的使用54
5.2.断路器的安装与连线57
5.3.断路器使用中的降容问题60
5.4.断路器的维护与保养60
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1.概论
1.1.概述
在现代社会，工业、农业、交通运输、国防、文教卫生、金融、商业、旅游服务和人民生活等领域都离不开电能。
电力产生后，其输送、使用中，配电是一个极其重要的环节。
配电系统所用电气器具包括变压器和各种高低压电气设备，而低压断路器则是一种使用中量大面广的电气产品。
所谓低压是指交流50Hｚ（或60Hｚ），额定电压≤1200V；直流额定电压≤1500V。
低压电器就是使用在上述电网电压的电气产品。
低压电器按其与使用系统之间的关系，可分为配电电器和控制电器两大类。
配电电器包括：
低压断路器、熔断器、刀开关、转换开关。
控制电器包括：
接触器、继电器、起动器、主令电器。
什么是低压断路器，低压断路器就是指：
能接通、承载以及分断正常电路条件下的电流，也能在所规定的非正常电路（例如过载、短路，特别是短路）下接通、承载一定时间和分断电流的一种机械开关电器。
1）低压断路器从它的结构、用途和具备功能分
万能式断路器ACB，塑壳式断路器MCCB，小型断路器MCB。
万能式和塑壳式断路器，它们的相同作用是：
⏹在正常情况下，作不频繁合、分电路或起动、停止电动机。
⏹当线路或电动机等发生过载、短路或欠电压等故障时，能自动切断电路，予以保护。
2）根据保护的对象不同，断路器又分为四类：
⏹配电保护型……保护电源和电气线路（电线、电缆和变压器）；
⏹电动机保护型……专作电动机的不频繁起动、运行中分断，以及在电动机发生过载、短路、欠电压时的保护，一般它所保护电动机的功率多数在200kW及以下。
⏹家用及类似用途保护型：
电路末端的照明、家用电器的保护。
⏹剩余电流保护型：
有不带过电流保护和带过电流保护。
1.2.低压断路器的发展史
1885年……诞生世界上最早的断路器，是一种刀开关和过电流脱扣器的组合。
1905年……诞生具有自由脱扣装置的空气断路器。
1930年……随着科学、技术的进步，电弧原理的发现和灭弧装置的发明。
1950年……电子元件兴起，诞生电子脱扣器，到今天已有智能型断路器的问世。
1949年以前，我国几乎没有断路器的制造业。
新中国成立后，电器工业有了很大的发展和进步。
低压断路器经历了四代的发展过程：
3）万能式断路器ACB
⏹第一代……1950年左右，仿苏联的A15、A2050的DW1、DW2和改进后的DW0
⏹第二代……1958年左右，自行设计的在DW0基础上更新的DW10系列
⏹第三代……1970年左右，80年投放市场的DW15
⏹第四代……90年代中，DW45型智能型万能式断路器
DW15DW45
4）塑料外壳式断路器MCCB
⏹第一代……1969年左右，DZ10系列
⏹第二代……1980年，开发了DZ20系列
⏹第三代……90年初，常熟开关厂推出的CM1，天津低压电器公司的TM30,上海电器科学研究所的S系列
⏹第四代……常熟开关厂推出的CM3
DZ20CM3
5）家用或类似场所用过电流保护断路器MCB
⏹第一代……最初访苏的DZ4
⏹第二代……60年代中期，DZ5
⏹第三代……70年代，开发了DZ15.DZ12.S060
⏹第四代……80年代后期，天津梅兰日兰的C45N问世，分断能力达到4kA（40A及以下）和6kA（50A及以上）
6）剩余电流动作断路器（漏电保护器）
⏹第一代……60年代后期，首台电流动作型漏电断路器DZ5-20L
⏹第二代……70年代中后期，全国联合设计的DZ15L,漏电电流有30mA、50mA、75mA。
⏹第三代……80年代，开发了DZL16、DZL18。
⏹第四代……90年代初，天津梅兰日兰的VigiC45ELE
1.3.不同类型断路器的保护特性和它们执行的标准
断路器适合标准情况：
7）配电保护型断路器执行……GB14048.2《低压开关设备和控制设备低压断路器》/等效采用IEC60947-2
8）电动机保护型断路器执行……GB14048.2和GB14048.4《低压机电式接触器和电动机启动器》/等效采用IEC60947-4
9）家用和类似场所保护型断路器执行……GB10963《家用及类似场所用过电流保护断路器》/等效采用IEC898
10）剩余电流保护型断路器执行……GB6829《剩余电流动作保护器的一般要求》、GB16916《不带过电流保护的剩余电流动作断路器RCCB》/等效采用IEC1008、GB16917《带过电流保护的剩余电流动作断路器RCBO》/等效采用IEC1009和IEC755等标准和文件。
1.4.断路器的发展趋势
进入行的世纪时，我国低压电器，将按照“小型化、高分断、低噪声、工作可靠、逐步实现智能化”的要求发展，不断创造出符合时代需要的新产品。
11）万能式低压断路器
全国联合设计的DW45系列智能型万能式断路器已完成全系列壳架电流的研发工作，它的壳架电流已有2000，3200，4000，5000，6300A。
可以满足容量从1250，1600，2000，2500，3150kVA单台变压器做主保护开关（6300A规格的短路分断能力达AC400V,120kA）。
在短路分断能力及额定电流方面，近五年内能适应电网的要求。
因此，它今后发展主要是智能化通信功能。
实现更全面的小、中、大区域现场总线的遥控、遥测、遥信、遥调。
12）塑料外壳式断路器
⏹向小型化、高分断、多功能、附件模块化发展
⏹提高塑壳外壳式断路器的工作可靠性
⏹智能化（三段保护）
13）家用或类似场所用过电流保护断路器
⏹主要发展二极和四极
⏹尺寸模数化、零部件通用化、安装导轨化
⏹短路分断能力从4kA、6kA提高到10～15kA
⏹功能方面有分励、欠压、过电压、断相、防窃电、声光报警等
14）剩余电流动作断路器
⏹额定电流100～800A
⏹漏电动作方面，除快速动作外，还要有延时型（可调），同时具备漏电预报警（当漏电电流达50％IΔn
⏹为适应不能断电的系统（如消防），应设计开发只报警不脱扣的漏电断路器
2.低压断路器的原理与构造
2.1.概述
2.1.1.断路器的结构
无论是万能式、塑壳式或是小型断路器，断路器的本体的结构基本相同，所不同的是尺寸大小和零部件的形状。
15）塑壳式断路器的结构，由七个部分组成
⏹过载脱扣器
热动式：
由发热元件与双金属元件组成。
当有一定的过载电流流过发热元件，它发热，热量传递给双金属元件，使之受热膨胀、弯曲、推开锁扣，使四连杆的操动机构动作带动断路器跳闸（以上是旁热式，如果无发热元件，双金属元件直接通电发热为直热式，双金属元件和发热元件串联通电发热为复合式）
电磁式（又称液压式，俗称油杯式）：
由铁心、衔铁、线圈、磁轭等组成，铁心置于油管内，铁心上有复位弹簧，油管内注硅油。
油管外绕上线圈，衔铁上勾住一个反作用力的弹簧。
当发生过载时，铁心受电磁螺管力的作用，缓慢上升，经一定的延时后，铁心升到一定的位置，在克服了衔铁上的反力弹簧力后，衔铁被完全吸下，衔铁脚推动的牵引杆，是断路器跳闸。
复位弹簧和硅油起阻尼作用，即起延时作用，这种过载保护的时间——电流呈反时限特性，即电流越大，螺管力越大，铁心上移的速度越快，动作时间越短。
⏹短路脱扣器
短路脱扣器是一个电磁铁机构。
⏹灭弧装置
灭弧装置的作用是吸引开断大电流时产生的电弧，使长弧被分割成短弧，通过灭弧栅片的冷却，使弧柱极大降温，去游离效果增大，电弧电压上升，最终熄灭电弧。
⏹触头
用来分合电路，遇线路或设备发生过载或短路时，触头被自动打开，动、静触头间产生的电弧被拉长，然后进入灭弧室，因此触头的触点要求具有导电性、耐电弧性、耐熔焊性和耐磨性能良好的银合金材料制作。
对于小型断路器，通常采用银——氧化镉、银——氧化锌，对较大电流规格，采用银——氧化锡、银——镍、银——石墨、银——碳化钨等。
⏹带自由脱扣的操作机构
用手动来操作触头的合、分，在出现过载、短路时可自由脱扣（从四连杆变成五连杆机构），此时与手柄的操作无关。
⏹外壳
用聚酰胺（尼龙）玻璃丝增强压塑或聚酯玻璃丝增强压塑而成，用来装容其他零部件（导电件、保护元件、操动机构、灭弧装置），有绝缘和机械强度要求，保证断路器操作时，不发生任何危险。
⏹接线端子
大多数是用铜或黄铜材料制成（为了防腐蚀和提高导电率，降低温升，它们通常是镀银或镀锡），用来作进出线的连接。
16）万能式（框架式）断路器
万能式断路器的特点是有一个钢制框架，所有部件包括触头系统、灭弧室、自由脱扣机构、电动转动机构、过电流脱扣器或电子脱扣器、分励脱扣器、欠电压脱扣器、辅助开关、二次接线座等。
都安装在框架内，导电部分加绝缘。
这种断路器有多种变化方式，如多种操动方式（手动、电动）、多种保护方式（过载、短路短延时、短路瞬动、单相接地故障、欠电压等等）、多种接线方式和用途以及不同数量的辅助触头。
其部件多数设计成可拆卸，便于安装和制造。
抽屉式还需增加一个抽屉座。
17）剩余电流动作断路器
一般在塑壳式断路器上增加一个剩余电流保护部件。
2.1.2.断路器的工作原理（以热磁型、电子型脱扣器为例）
断路器用作合、分电路时，依靠扳动其手柄（或通过外部转动其手柄）或采用电动机操动机构使动、静触头闭合或断开。
18）热磁型动作原理：
在正常情况下，触头能够接通和分断额定电流；
当出现过载时，双金属元件产生变形、弯曲，使锁扣脱钩，碰、顶断路器的牵引杆，断路器跳闸；
当线路短路时，则一定值的短路电流会使过电流脱扣器的动铁心被吸合，带动牵引杆使断路器分断；
当线路出现欠电压在电压低于70％Un（额定电压）时，其衔铁释放，触动牵引杆，使断路器跳闸；
要远距离控制断路器跳闸，可采用分励脱扣器，分励脱扣器通电时，它的衔铁被吸合，使牵引杆逆时针运动，断路器断开。
19）电子型脱扣器
电子脱扣器是由半导体保护装置和执行元件（电磁式脱扣器、电磁感应式脱扣器和永久磁铁的释放式脱扣器）组合而成。
交流半导体保护装置由信号检测、信号比较、延时电路、触发电路、电源等组成。
用电流互感器进行信号检测，信号取出后，经桥式整流电路和阻容滤波电路，变换成直流电压，再经电阻分压，输入信号比较环节，当信号电压超过稳压管的击穿电压，它们便导通，且有信号输出。
借控制电容器的充电时间获取所需的延时时间。
触发环节采用斯密特触发器以触发晶闸管，使之导通。
延时电路和触发器均由一个电源变压器供电。
当触发器导通后，将使电磁式脱扣器或电磁感应式脱扣器的衔铁吸合，使牵引杆运动，断路器跳闸。
2.1.3.断路器的分类
分类
分类方式
断路器的分类
按使用类别分
A类：
没有短时耐受电流；
B类：
有短时耐受电流。
按选择性保护分
非选择性保护：
下方位负载侧发生短路，下级的断路器瞬动，而此故障短路电流也要流向上方位，如果上方位断路器没有短路短延时，则在下方位发生故障的一瞬间，上方位断路器也会一起跳闸。
选择性保护：
上方位断路器有短路短延时，当下方位的断路器跳闸（通常在0.02～0.03s之内），上方位断路器有0.1s（为0.02s的5倍）延时，则可确保上方位断路器不动。
按安装方式分
固定式
抽屉式
按用途分
配电保护
电动机保护
家用和类似用途
剩余电流保护
按接线方式分
板前接线
板后接线
插入式接线
抽出式接线
导轨式接线
按极数分
单极
二极
三极
四极
按操作方式分
手动
电动
按脱扣器型式分
仅有瞬时动作脱扣器（电磁脱扣器）
热动+电磁脱扣器（复式）
全电磁型脱扣器（液压式）
电子脱扣器（信号采取+对比电流+晶闸管+斯密特触发器）
智能脱扣器（有CPU，可实现“四遥”）
2.1.4.断路器的正常使用条件和安装条件
断路器的正常使用条件和安装条件如下：
使用的环境
正常使用条件和安装条件
1.周围空气温度不超过＋40℃，周围空气温度下限为－5℃，且其24h内的平均温度值不超过＋35℃；
2.安装地点的海拔不超过2000m；
3.在空气温度为＋40℃时，空气的相对湿度不超过50%，在较低的温度下可以允许有较高的相对湿度，例如20℃时达90%。
对由于温度变化偶尔产生的凝露应采取特殊的措施；
4.无明显的颠簸、冲击和振动的地方；
5.无介质爆炸危险，且介质中无足以腐蚀金属和破坏绝缘的气体或导电尘埃的地方；
6.无雨雪侵袭的地方；
7.污染等级：
工业用3级，家用及类似场所用2级；
8.安装条件：
基本安装方式为垂直安装，其他安装方式见样本或使用说明书。
超过以上使用条件的，有用户和制造厂协商解决。
2.2.低压断路器的主要技术性能、参数和有关试验
2.2.1.断路器的主要技术性能和参数
说明
参数
定义
额定电压
一般指相间电压，即线电压。
如企业用电380V，矿用660V。
额定频率
50Hz或60Hz
额定电流
在规定的条件下，保证断路器正常工作的电流，又称脱扣器额定电流。
壳架等级额定电流
代表断路器的外形尺寸，以此断路器的最大额定电流表示。
温升
断路器通以壳架等级中最大额定电流一定时间。
它的各部件温升必须小于规定值。
工频耐压
根据绝缘电压等级，对断路器的进出线（断路器断开）之间、断路器相与相之间、断路器合上，各级并联后与金属外壳之间施以规定值工频电压（绝缘电压Ui大于300V，小于660V时，工频电压为2500V，施加时间（1min）不允许闪络或击穿。
为了真正实现绝缘配合，国际电工委员会又规定了冲击耐受电压。
过载、短路保护特性
二段保护：
过载长延时+短路瞬时
三段保护：
过载长延时+短路短延时+短路瞬时
单相接地故障保护
剩余动作电流
在规定条件下，使剩余电流保护器动作的剩余电流
剩余不动作电流
在规定条件下，使剩余电流保护器不动作的剩余电流
寿命
包括电寿命（又称有载寿命）和机械寿命（又称无载寿命）
短路分断能力
又分极限短路分断能力Icu和运行短路分断能力Ics
短时耐受电流Icw
在规定的条件下，断路器能承载而不损坏的短时耐受电流值
断路器的本体功耗
之断路器在通以最大额定电流时，因其本身的电阻发热而产生的功率损耗，通常以三相总功率瓦表示。
安装类别
安装类别Ⅰ：
信号水平级
安装类别Ⅱ：
负载水平级
安装类别Ⅲ：
配电水平级
安装类别Ⅳ：
电源水平级
污染等级
污染等级1：
无污染或仅有干燥的非导电性污染。
污染等级2：
一般情况仅有非导电性污染，但是必须考虑到偶然由于凝露造成短暂的导电性。
污染等级3：
有导电性污染，或由于凝露使干燥的非导电性污染变为导电性的。
污染等级4：
造成持久性的导电性污染，例如由于导电尘埃或雨雪所造成的污染。
防护等级IP
外壳能防止直径超过规定值，如IP30
C1a）第一位数码
防止固体异物进入
防止人体接近
危险部件
IP
要求
举例
0
无防护
无防护
50
1
直径50mm的球形物体不得完全进入，不得触及危险部件
手背
12.5
2
直径12.5mm的球形物体不得完全进入，铰接试指应与危险部件有足够的间隙
手指
3
直径2.5mm的试具不得进入
工具
4
直径1.0mm的试具不得进入
金属线
5
允许有限的灰尘进入（没有有害的沉积）
金属线
6
完全防止灰尘进入
金属线
C1b）第二位数码
防止进水造成有害影响
防水
IP
简述
举例
0
无防护
无防护
1
防止垂直下落滴水，允许少量水滴入
垂直滴水
2
防止当外壳在15°范围内倾斜时垂直下落滴水，允许少量水滴入
与垂直面成15°滴水
3
防止与垂直面成60°范围内淋水，允许少量水进入
少量淋水
4
防止任何方向的溅水，允许少量水进入
任何方向的溅水
5
防止喷水，允许少量水进入
任何方向的喷水
6
防止强烈喷水，允许少量水进入
任何方向的强烈喷水
7
防止15cm～lm深的浸水影响
短时间浸水
8
防止在有压力下长期浸水
持续浸水
Clc）附加字母（可选择）
IP
要求
举例
防止人体接近
危险部件
50
A
用于第一位
数码为0
直径50mm的球形物体进入到隔板，不得触及危险部件
手背
B
用于第一位
数码为0、1
最大为80mm的试指球进入不得触及危险部件
手指
C
用于第一位
数码为1、2
当挡盘部分进入时，直径为2.5mm，长为10mm的金属线不得触及危险部件
工具
D
用于第一位
数码为2、3
当挡盘部分进入时，直径为1.0mm，长为100mm的金属线不得触及危险部件
金属线
2.2.2.智能型断路器的智能化功能
进入20世纪90年代，智能型断路器的出现在国内外市场。
其智能化功能除了三段保护和单相接地故障保护之外，还表现在以下九个方面。
额定电流的选择
在确定一个智能控制器例如其额定电流In为1000A，则额定电流的整定范围可在0.4～1倍In中选择，最小为400A，最大为1000A。
LED显示
各相运行电流、电压以及整定试验、故障和运行状态
试验功能
它是断路器还未连接线路前，对断路器可靠性的试验。
故障记忆功能
在断路器跳闸后，仍可记住上次发生故障状态和类别，有助于线路检修。
热记忆功能
智能控制器过载或短路短延时脱扣后，在脱扣器未断电前具有模拟双金属片的热记忆功能。
过载能量30min释放结束，短延时15min释放结束。
当断路器合闸后在30min和15min内再发生过载、短延时故障时，脱扣时间会变短。
MCR功能
因为智能控制器刚接上电源有个启动时间，在这个时间合闸，且线路存在故障，那么智能控制器具有低倍数短路电流分断的功能，以防止断路器的损坏。
自诊断功能
当断路器内部的环境温度达到80℃，智能控制器会发出报警
负载监控功能
当运行电流超过整定值时，延时发出指令信号，分断下方位不重要负载，保证主系统供电。
通信接口功能
具有串行通信接口，通过专用的设备与打印机、语言系统或PC机配套，可把断路器编号分合状态、脱扣器各种设定值，运行电流、电压、故障电流、动作时间及故障状态等参数传输出来，以图形、文字等方式显示或打印出来，便于监督；或按照协议RS485接口，输送到计算机，可实现遥控、遥测、遥调、遥信，简称“四遥”。
2.2.3.断路器的有关试验
这里所说的试验是断路器的短路分断能力试验。
用户对它很关心，制造厂也视为产品成功与否的关键。
极限短路分断能力Icu
O——t——CO
试验通过后，还应验证工频耐压（2倍绝缘电压）和验证过载脱扣器性能
运行短路分断能力Ics
O——t——CO——t——CO
试验通过后，还要验证工频耐压、温升、验证过载脱扣器性能、通以额定工作电压和额定电流，作电寿命5％的操作次数来验证操作性能。
注：
1.O表示分断（Open），断路器在合闸状态，通以短路试验电流，断路器自动分断并熄灭电弧；
2.t表示O与下面的CO操作的间隔时间，又称为休息时间。
一般不小于3min。
3.CO表示接通（Close）后立即分断，断路器处于分闸状态，短路试验电流已经存在，试验时使断路器合闸（用人工或机械方法），然后立即分断。
合闸是考核断路器在经受接通电流（峰值电流）时，会不会因峰值电流产生的电动斥力和热量而遭到破坏。
合闸后立即分断，并熄灭电弧，就可以认为CO试验成功。
4.试验合格的判定标准是：
每个试验程序都合格，外壳不应破碎、但细裂缝是允许的。
从Icu和Ics的试验要求来看，显然运行短路分断能力Ics比极限短路分断能力Icu要严酷的多。
为此IEC标准规定，Ics的值可以为Icu的25%、50%、75％、100％（其中B型断路器——有三段保护功能的无25％规格）。
根据断路器的额定短路分断能力应大于或等于线路的预期最大短路电流的原则，就存在断路器的额定短路分断能力是指极限短路分断能力还是指运行短路分断能力。
笔者认为额定短路分断能力是指极限短路分断能力Icu，因为当线路出现最大预期短路电流时，只要Icu大于此线路短路电流，就可以安全的切断持故障电路。
线路发生预期最大短路电流的机率很小，而一旦出现这种电流时，断路器有Icu这一性能，就能确保分断，分断后他就完成了使命，断路器必须更换新的。
通常所说的短路分断能力是指它的有效值，而接通能力是指短路电流的峰值。
峰值电流等于电流的有效值乘以它的峰值系数Kch×
，Kch为冲击系数。
试验电流，A
功率因数
时间常数，ms
峰值系数η
Kch×
I≤1500
1500＜I≤3000
3000＜I≤4500
4500＜I≤6000
6000＜I≤10000
10000＜I≤20000
20000＜I≤50000
50000＜I
0.95
0.9
0.8
0.7
0.5
0.3
0.25
0.2
5
5
5
5
5
10
15
15
1.41
1.42
1.47
1.53
1.7
2.0
2.1
2.2
2.3.断路器的电气间隙、爬电距离与飞弧距离
2.3.1.断路器的电气间隙
电气间隙的定义：
具有电位差的两个导电部件之间的最短直线距离。
确定断路器产品的电气间隙，必须依据低压系统的绝缘配合，而绝缘配合则是建立在瞬时过电压被限制在规定的冲击耐受电压优先系数的基础上。
外来的瞬时过电压必须低于电源系统规定的冲击耐受电压，而系统中的电器或设备产生的瞬时过电压也必须低于电源系统规定的冲击电压，因此：
20）电器的额定
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